CN101852727A - 连续监测液体浓度的光学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续监测液体浓度的光学检测方法，主要包括以下步骤：(1)根据待测溶液的吸光系数标准曲线，选取一个波长λ，记录此时待测溶液的吸光系数为ε；(2)将待测溶液注入到可变光程容腔的待测溶液腔；(3)使平行光线从所述可变光程容腔的一端入射，并穿过待测溶液和透光装置，再从可变光程容腔的另一端出射，记录此时出射光在波长λ处的光强为I₁；(4)在所述光线始终穿过待测溶液和透光装置的状态下，改变待测溶液的光程，同时保持待测溶液的压强不变，记录此时光程改变量为ΔL、出射光在波长λ处的光强为I₂；(5)通过下式得到当前待测溶液的浓度值

式中，C为当前待测溶液的浓度值。

Description

连续监测液体浓度的光学检测方法

技术领域

本发明涉及一种光学检测方法，具体涉及一种应用于长期连续监测液体浓度的光学检测方法。

背景技术

检测技术是获取数据信息的直接手段，对过程的自动化与信息化至关重要，随着绿色环保意识的提高，对“三废”排放的要求日趋严格。应用领域需求的迅速发展，对检测技术提出了更高的要求，主要体现在两个方面：(1)可长期连续监测；(2)检测结果准确性与可靠性。

传统的光学检测原理根据Lambert-Beer定律，通过检测发射光光强与接收光光强，根据吸光系数、光程等参数以确定待测溶液浓度。然而，在长期连续监测的过程中，由于光源的时效作用将不可避免地引起发射光光强的缓慢漂移，发射端与接受端镜头的老化、腐蚀等原因，将引起接收光光强检测误差。所以，分光光度法检测设备必须进行定期标定，以保障检测结果的准确性与可靠性。但定期标定存在着以下的一些局限：(1)标定势必中断检测的连续性，导致某时间段待测溶液的漏检，标定周期短，则标定频繁，漏检的概率就越大；若标定周期长，则标定就达不到预期目的。(2)嵌入检测仪器的生产设备(如插入式光导纤维探头)以及高温高压条件下操作的化工设备，检测仪器的标定一般难度都较大，甚至难以进行。

欲解决光学检测设备的长期运行的稳定性问题，实际上也就是要解决检测过程中的环境干扰问题。所以必须通过光学检测原理的创新，以克服上述困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续监测液体浓度的光学检测方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该连续监测液体浓度的光学检测方法主要包括以下步骤：

(1)根据待测溶液的吸光系数标准曲线，选取一个波长λ，记录此时待测溶液的吸光系数为ε；

(2)将待测溶液注入到可变光程容腔的待测溶液腔；

(3)使平行光线从所述可变光程容腔的一端入射，并穿过待测溶液和透光装置，再从可变光程容腔的另一端出射，记录此时出射光在波长λ处的光强为I₁；

(4)在所述光线始终穿过待测溶液和透光装置的状态下，改变待测溶液的光程，同时保持待测溶液的压强不变，记录此时光程改变量为ΔL、出射光在波长λ处的光强为I₂；

(5)通过下式得到当前待测溶液的浓度值

$C=\frac{\ln I_1-\ln I_2}{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ΔL}}$

式中，C为当前待测溶液的浓度值。

进一步，本发明作如下改进：

(a)通过改变待测溶液的浓度并相应地重复所述步骤(3)～(5)，建立待测溶液的吸光度变化量与浓度的关系曲线；

(b)重复所述步骤(3)～(4)得到待测溶液的当前吸光度变化量，再根据步骤(a)得到的待测溶液的吸光度变化量与浓度的关系曲线得到待测溶液的当前浓度。

进一步，本发明在步骤(1)中，所述待测溶液的吸光系数标准曲线在波长λ处存在吸收峰。

进一步，本发明在步骤(4)中，所述待测溶液腔通过其进出样口与外界的待测溶液连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可将传统光学检测中的稳定性扰动量A(光源时效作用、传感器基飘等因素)、稳定性扰动量B(镜头腐蚀、磨损及生物附着等因素)等干扰因素作为不变量消除，使检测结果不受干扰。

2.使用本发明方法可利用式

获得待测溶液浓度，而由该式可知，待测溶液浓度只与光程变化量ΔL有关，与其他干扰因素无关，从而实现对待测溶液浓度的长期连续监测。

3.本发明可应用于化工生产过程的精确检测、“三废”的污染连续监控、海洋环境生态因子的跟踪监测。

附图说明

图1是本发明光学检测方法的工作原理图；

图2是用于本发明光学检测方法的其中一种检测装置的结构示意图。

其中，1.固定套筒，2.活动柱塞，3.柱塞镜头，3’.透光镜头，4.待测溶液腔，5.待测溶液进出样口，6.平行光发生器，7.光接收器，8.丝杆，9.固定支座，10.步进电机，11.可变光程容腔，12.待测溶液进出样口，13.待测溶液腔，14.透光装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据Lambert-Beer定律，在一定条件下，一束单色光通过吸收介质的溶液后，因吸收介质吸收部分光能，引起该单束光的强度降低。吸收介质的厚度和吸光物质的浓度与光强的关系可以用公式(1)表示：

I_c＝I₀·e^-εcL    (1)

其中I_c为吸收光强，I₀为发射光强，ε为吸光物质的吸光系数，c是吸光物质的浓度，L是检测光的光程。

实施本发明的光学检测方法时，如图1所示，将待测溶液通过其进出样口12注入到可变光程容腔11的待测溶液腔13中。使平行光线从可变光程容腔11的一端入射，并穿过待测溶液和透光装置14，再从可变光程容腔11的另一端出射。需要说明的是，平行光线可先穿过待测溶液再穿过透光装置14，也可先穿过透光装置14再穿过待测溶液。

如果考虑稳定性扰动量A(物理部件的长期稳定性扰动量)与稳定性扰动量B(镜头腐蚀与生物附着稳定性扰动量)的干扰影响，则公式(1)可以修正为公式(2)：

$I_1=I_0\·e^{-\mathrm{\ϵCL}}\·e^{-{\mathrm{\ϵ}}_A{c}_A{L}_A}\·e^{-{\mathrm{\ϵ}}_B{c}_B{L}_B}---\left(2\right)$

其中I₁为吸收光强，I₀为发射光强，ε为待测物的吸光系数，c是待测物浓度，L是待测物光程，ε_A、c_A、L_A分别为稳定性扰动量A的吸光系数、浓度或密度、干扰光程，ε_B、c_B、L_B分别为稳定性扰动量B的吸光系数、浓度或密度、干扰光程。

在光线始终穿过待测溶液和透光装置14的状态下，改变待测溶液的光程，同时保持待测溶液的压强不变，记录此时光程改变量为ΔL、出射光在波长λ处的光强分别为I₂。

$I_2=I_0\·e^{-\mathrm{\ϵc}(L+\mathrm{\ΔL})}\·e^{-{\mathrm{\ϵ}}_A{c}_A{L}_A}\·e^{-{\mathrm{\ϵ}}_B{c}_B{L}_B}---\left(3\right)$

本发明可通过移动透光装置14(如图1所示)或移动图2所示的活动柱塞2使待测溶液腔变大或变小来改变待测溶液的光程。即：当待测溶液腔变大导致其压强变小时，可从待测溶液进出样口注入待测溶液；当待测溶液腔变小导致其压强变大时，从待测溶液进出样口由待测溶液腔向外排出待测溶液，从而保持待测溶液腔内溶液的压强不变。此外，当光线不能全部从溶液待测溶液腔中通过而需要注入溶液时，也可通过待测溶液进出样口向待测溶液腔注入待测溶液。

用式(3)除以式(2)，再进行变换可以得到公式(4)：

$\ln \frac{I_1}{I_2}=\mathrm{\ϵ}\·c\·\mathrm{\ΔL}---\left(4\right)$

对公式(4)变换可以得到公式(5)：

$c=\frac{\ln I_1-\ln I_2}{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ΔL}}---\left(5\right)$

通过公式(5)可知，当前的待测物浓度c只与I₁、I₂、ε、ΔL这几个变量相关，而与稳定性扰动量ε_A、c_A、L_A、ε_B、c_B、L_B以及与发射光光强I₀等无关，所以本发明监测液体浓度的光学检测方法可以成功消除稳定性扰动量对检测的影响，实现对液体浓度的长期、连续检测。只要获取I₁、I₂、ε、ΔL，则可以根据公式(5)计算待测物的当前浓度c。

进一步地，以图2所示的用于本发明光学检测方法的其中一种检测装置为例具体说明本发明的工作过程。

在图2所示的检测装置中，固定支座9和固定套筒1固定联接在一起。固定套筒1为筒状结构，固定套筒1内密封固定有透光镜头3’，固定套筒1内置有中空的活动柱塞2，固定套筒1的内径与活动柱塞2的外径相匹配，以使活动柱塞2可通过○型密封圈与固定套筒1形成动密封。活动柱塞2为内部柱状空心结构，在活动柱塞2的一端的空腔内密封固定有一柱塞镜头3且柱塞镜头3和透光镜头3’的中心轴线重合，柱塞镜头3的内端面与透光镜头3’之间形成待测溶液腔4；在固定套筒1的壁上设有待测溶液进出样口5，待测溶液进出样口5与待测溶液腔4连通。固定支座9上安装有步进电机10，步进电机10的输出轴连接有驱动丝杆8，驱动丝杆8与活动柱塞2通过螺纹配合，使得步进电机10工作时通过驱动丝杆8旋转带动活动柱塞2运动，从而改变待测溶液腔5的容积大小

柱塞镜头3和透光镜头3’的中心轴线重合，可保证平行光从一端入射后能全部从另一端出射。透光镜头3’和柱塞镜头4可采用有机玻璃、一般工业玻璃或钢化玻璃材料等透光材料制成的平光镜，以使检测用的平行光能平行通过透光镜头3’和柱塞镜头4。

作为本发明所用的溶液浓度检测装置的一种实施方式，可在活动柱塞2的空腔内设置平行光发生器6，该平行光发生器6与柱塞镜头3的外端面相对；固定套筒1的空腔内设有光接收器7，光接收器7与透光镜头3’的外端面相对。作为本发明所用的溶液浓度检测装置的另一种实施方式，也可以将平行光发生器6设置于固定套筒1的空腔内，使平行光发生器6与透光镜头3的外端面相对；同时，将光接收器7置于活动柱塞2的空腔内，并使光接收器7与柱塞镜头3的外端面相对。平行光发生器6的作用是向待测溶液腔4发射平行光以满足对溶液浓度的检测，并使光线穿过柱塞镜头3、待测溶液和透光镜头3’，从而使光接收器7检测到由待测溶液吸收之后的光强。

当然，上述溶液浓度检测装置可以不自带平行光发生器6和光接收器7，只要在使用该检测装置时，将平行光发生器6和光接收器7分别安装到固定套筒1和活动柱塞2的空腔内即可。

图2所示的平行光发生器6可为LED光源，用于产生平行光。在本发明的检测装置中，也可不在固定套筒1的空腔内安装光接收器7，而是在固定套筒1的空腔内安装一准直镜，该准直镜通过光纤与光接收器(图中未示出)连接用于检测出射光的光强。

使用图2所示装置按照本发明方法对待测溶液的浓度进行检测时，具体步骤如下：

(1)根据待测溶液的吸光系数标准曲线，选取一个波长λ，记录此时待测溶液的吸光系数为ε。需要说明的是，该波长λ可任意选取。若选取吸光系数标准曲线的吸收峰处的波长λ，则可以减小测量误差。

(2)将待测溶液注入待测溶液腔4。

(3)将平行光发生器6和光接收器7正确安装于检测装置中，使平行光线依次经过活动柱塞2内柱塞镜头3、待测溶液、透光镜头3’，到达光接收器7。

(4)选择光源的入射光波长为λ，记录在λ波长入射光下，光线经过柱塞镜头3、待测溶液和透光镜头3’后的透射光强I₁。

(5)控制步进电机10带动活动柱塞2运动，从而使待测溶液的光程产生一个脉动量ΔL(即光程改变量)，等待待测溶液平稳。

(6)记录在脉动后光线经过柱塞镜头3、待测溶液和透光镜头3’后的透射光强I₂。

(7)通过下式得到当前待测溶液的浓度值

$c=\frac{\ln I_1-\ln I_2}{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ΔL}}$

上式中，C为当前待测溶液的浓度值。

由上式可知，待测溶液浓度只与脉动量ΔL有关，与其他干扰因素无关，从而能够实现对待测溶液浓度的长期连续监测。

Claims (4)

1.一种连续监测液体浓度的光学检测方法，其特征是包括以下步骤：

(1)根据待测溶液的吸光系数标准曲线，选取一个波长λ，记录此时待测溶液的吸光系数为ε；

(2)将待测溶液注入到可变光程容腔的待测溶液腔；

(3)使平行光线从所述可变光程容腔的一端入射，并穿过待测溶液和透光装置，再从可变光程容腔的另一端出射，记录此时出射光在波长λ处的光强为I₁；

(4)在所述光线始终穿过待测溶液和透光装置的状态下，改变待测溶液的光程，同时保持待测溶液的压强不变，记录此时光程改变量为ΔL、出射光在波长λ处的光强为I₂；

(5)通过下式得到当前待测溶液的浓度值

$C=\frac{\ln I_1-\ln I_2}{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ΔL}}$

式中，C为当前待测溶液的浓度值。

2.根据权利要求1所述的连续监测液体浓度的光学检测方法，其特征是：

(a)通过改变待测溶液的浓度并相应地重复所述步骤(3)～(5)，建立待测溶液的吸光度变化量与浓度的关系曲线；

(b)重复所述步骤(3)～(4)得到待测溶液的当前吸光度变化量，再根据步骤(a)得到的待测溶液的吸光度变化量与浓度的关系曲线得到待测溶液的当前浓度。

3.根据权利要求1或2所述的连续监测液体浓度的光学检测方法，其特征是：在步骤(1)中，所述待测溶液的吸光系数标准曲线在波长λ处存在吸收峰。

4.根据权利要求1或2所述的连续监测液体浓度的光学检测方法，其特征是：在步骤(4)中，所述待测溶液腔通过其进出样口与外界的待测溶液连通。

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